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Avaliação da Sanidade na Junta Soldada Entre os Aços 1020 e 1045 por Ensaio Não Destrutivo

Marielle Maria Medeiros VITALi

Josifran da Silva ARAUJO

Curso de Engenharia Mecânica. Instituto de Estudos Superiores da Amazônia. Av. Gov. José Malcher, 1148, Nazaré - CEP 66055-260. Belém, PA

RESUMO - Devido uma falha técnica no cubo, ou melhor aros, das rodas dianteiras das máquinas 938H, o setor de engenharia de serviços da empresa representante em Belém, realizou uma correção provisória até a solução definitiva vinda da fábrica. Essa correção consiste de substituir a área da chapa de aço SAE 1020 trincada ao redor dos furos de fixação dos parafusos do aro, por uma nova chapa de espessura maior, em relação a original e será de aço SAE 1045. O estudo deste trabalho abordará a influencia da temperatura na união destes aços, como a questão da soldabilidade no aço 1045 por possuir maior teor de carbono, o efeito da têmpera na área soldada e a questão do pré e pós aquecimento da peça, antes da soldagem e após a usinagem.

Palavras – chave: Temperatura. Soldabilidade. Penetração. Têmpera

Study of Welding in Recovery rim 938H wheel loader

ABSTRACT - Owing a technical failure in the cube, nay rimmed of the front wheels of the 938H machines, the engineering department of the company representative services at Belém, held an temporary correction until the ultimate solution coming from the factory. This correction is to replace the area of steel plate SAE 1020 cracked around the holes for fixing bolts of the rim, by a new plate of greater thickness compared to the original and it will be steel SAE 1045. The study of this work will address the influence of temperature on the union of these steels, how the issue of the weldability in 1045 steel by having higher carbon content. The effect quenching caused the area parallel to the weld bead.Keywords: Temperature. Weldability. Permeation. Quenching.

1 INTRODUÇÃO

Marques et al (2011, p. 81) diz que "A soldagem geralmente é realizada com a aplicação localizada de calor e/ou deformação plástica. Como resultado, alterações das propriedades do material , nem sempre desejáveis ou aceitáveis, possa ocorre na região da junta".

Na soldagem a aplicação do calor produz uma alteração estrutural, efeitos térmicos e mecânicos no metal a ser soldado. No componente soldado, estes fatos podem aparecer de duas maneiras: A presença de trincas no metal base e no metal de solda bem como porosidade ou inclusões no metal de solda. Mudanças nas propriedades do metal base tais como resistência, ductilidade, tenacidade e resistência à corrosão (BARBOSA, 2007, p. 1).

Este trabalho consiste na avaliação da sanidade na junta soldada entre os aços 1020 e 1045, por ensaio não destrutivo. O ensaio realizado será de ultrassom e de líquido penetrante, o processo de soldagem aplicado nesta operação será o processo Metal Active Gás - MAG, no aro de uma roda que pertence a uma máquina carregadeira 938H adaptada para carregar toras de árvores.

Algumas dessas máquinas estão apresentando trincas entre os furos dos parafusos de fixação nos aros, como mostra as figuras logo a seguir. Devido o surgimento dessa falha, foi elaborada por uma equipe de técnicos de uma empresa X, uma forma para devolver ao

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cliente/proprietário o aro recuperado e assim evitar que novas trincas apareçam no local.

Segundo o analista técnico da empresa X "Ate o momento não tem uma posição da fábrica quanto ao problema, visto que a falha ocorre principalmente na região da Amazônia, o que deve ser feito é corrigir a falha localmente. Assim fica dispensado o uso de uma carta de serviço pela fabricante para ser aplicado no modelo dessa máquina espalhadas pelo mundo".

Mediante a este fato, ainda segundo o analista, a empresa representante em Belém estará realizando uma correção provisória até a solução definitiva vinda da fábrica.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Processo de soldagem MAG

O processo MAG, GMAW (Gás Metal Arc Welding) ou, ainda, “Soldagem a Arco Metálico com Atmosfera Gasosa (SAMG)” é um processo de soldagem, por fusão, caracterizado pela abertura e manutenção do arco elétrico entre o metal de base - MB (poça de fusão quando em regime) e o metal de adição - MA (arame maciço alimentado continuamente). Como o arame/eletrodo não apresenta revestimento (comum no processo Eletrodo Revestido) torna-se necessário à inserção de uma proteção gasosa (ativa "MAG"), externa, suprida com pressão e vazão adequadas. Tal inserção é justificada na necessidade de, ao mesmo tempo, viabilizar a proteção da gota metálica e da poça de fusão contra a atmosfera vizinha ao arco voltaico e, além disso, auxiliar na formação e manutenção do arco elétrico (BARRA, 2003).

É um método de fácil execução, pois se utiliza equipamentos sofisticados e precisos. Pois é um processo por arco elétrico entre a peça e o arame (eletrodo) não revestido de diversos diâmetros tubular, que é o metal de adição fornecido por um alimentador contínuo, fazendo a união do flange com o aro pelo aquecimento e fusão. O arco elétrico funde de forma contínua o arame à medida que é alimentado à poça de fusão. O metal de solda é protegido da atmosfera por um fluxo de uma mistura de gás ativo de CO2 com 25% de Argônio. Neste processo de soldagem foi usada corrente contínua e o arame colocado no pólo positivo (polaridade inversa), conforme a figura 04 que apresenta Ilustração do Processo.

Fig.01 Carregadeira 938H Fig.02 Cubo da 938H Fig.03 Área das trincas

Fonte: Acervo do autor Fonte: Acervo do autor Fonte: Acervo do autor

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Fig.04 Ilustração do Processo MAG

Fonte: Barra, 2003

2.2 Classificações dos Aços

De acordo com a grande demanda de metais podemos encontra uma infinidade de aços e uma gama muito grande de classificação, como: aços - estruturais, fundidos, ferramentas, inoxidáveis, laminados micro ligas, baixo carbono, temperado e revenido, etc.

Podemos classificar os aços de acordo com a tabela desenvolvida pela Society of Automotuve Engineers - SAE e classificada no American Iron Steel Institute - AISI. O sistema utiliza uma série de quatro a cinco números para designar aços carbono e aços ligados conforme tabela 01. Sendo que os dois primeiros números indicam os outros metais de liga já os dois (ou três) últimos números indicam o valor aproximado de carbono do aço, conforme pode ser visto pode ser visto na tabela. Este sistema é adotado, pela ABNT aqui no Brasil sem restrição.

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Tabela 01- Designação numérica AISI- SAE para aços

Fonte: Society of Automotive Engineers - SAE

Tabela 02- Exemplo de designações pelo sistema AISI- SAE Aços Carbono

Fonte: Society of Automotive Engineers - SAE

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2.3 Soldabilidade do aço Carbono SAE 1020

Aço carbono SAE 1020 é uma liga de ferro e carbono de baixa liga com até 2% de carbono, e com outros materiais na sua constituição como: Mn, Si, e P. Sendo que estes elementos não passam de 2% do metal. Apresentando um grande problema com a formação de trincas induzidas pelo hidrogênio, principalmente na zona termicamente afetada - ZTA, outro problema específico é a perda de tenacidade na ZTA, ou na zona fundida e a formação de trincas de solidificação.

Para evitar as possíveis causas de trincas dos metais soldados temos que escolher o melhor processo e o melhor material de adição com uma resistência apropriada às tensões que atuaram no local da solda, conforme podemos ver essas trincas na figura 05 e podemos verificar as tensões na tabela 03 de nomenclatura dos aços com o teor de carbono e as resistências que os aços podem suportar.

Fig.05 - Tipo de trincas induzidas por Hidrogênio na ZTA

Fonte: PUC-RIO

Tabela 03- Nomenclatura dos aços estruturais

Fonte: Society of Automotive Engineers- SAE

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2.4 Soldabilidade do Aço Carbono SAE 1045

O aço SAE 1045 médio carbono - será adicionado ao aro por meio do processo de soldagem, substituindo o flange trincado por outro mais resistente, a composição destes aços são basicamente a mesma do aço SAE-1020, exceto pelo teor de carbono que é de 4,5% e manganês de 1,4%. Em função do maior teor de carbono e de manganês, eletrodos de baixo hidrogênio foram utilizados, devido à peça que foi instalada ser de espessura de 23 mm.

Conforme Mondenesi (2011, p. 7), "[...] Um pré- aquecimento entre 150 e 2600C é recomendado [...]", conforme podemos ver na tabela 04.

Tabela 04 - Temperatura típicas de pré-aquecimentopara diferentes aços e ferro fundido.

Fonte: Welding Theory, 1993

Metalografia do aço SAE - 1045 conforme podemos ver na figura 08 após a passagem de um efeito de aquecimento por um processo de soldagem.

Fig.06 - Metalografia do aço 1045

Fonte: LEMM- Urisan

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2.5 Ensaio por Ultrassom

2.5.1 Finalidade do Ensaio

O ensaio por ultrassom, caracteriza-se num método não destrutivo, que tem porobjetivo a detecção de defeitos ou descontinuidades internas, de acordo com o Sistema Nacional de Qualificação e Certificação de Pessoal em Ensaios Não Destrutivos - SNQC/END, presentes nos mais variados tipos ou forma de materiais ferrosos ou não ferrosos.

Tais defeitos são caracterizados pelo próprio processo de fabricação da peça ouComponentes a ser examinada como, por exemplo: bolhas de gás em fundidos,dupla laminação em laminados, micro-trincas em forjados, escorias em uniõessoldadas e muitos outros.

Portanto, o exame ultrassonico, assim como todo exame não destrutivo, visadiminuir o grau de incerteza na utilização de materiais ou peças deresponsabilidades.

É aplicável para as seguintes situações:

• Juntas de topo entre chapas e tubos• Juntas de ângulo• Conexões• Juntas tubulares

2.5.2 Normas de Referência

2.5.2.1 Código ASME - Sec. V – Adenda 20022.5.2.2 BS- 4331 Parte 3 – Edição de 1987)2.5.2.3 BS – 7910 – edição 1999 – Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures.2.5.2.4 BS EN 12223 – Edição de 20002.5.2.5 BS EN 27963 – Edição de 1992

2.5.3 Material/Dimensões

2.5.3.1 Aço carbono e aços de baixa liga com teores de liga até 6%2.5.3.2 Espessuras de 5 mm a 45 mm2.5.3.3 Diâmetro mínimo - 2" (ϕ ext ≥ 60,3 mm)

2.5.4 Vantagens em relação a outros ensaios:

O método ultrassonico possui alta sensibilidade na detectabilidade de pequenasdescontinuidades internas, por exemplo:

• Trincas devido a tratamento térmico, fissuras e outros de difícil detecção porensaio de radiações penetrantes (radiografia ou gamagrafia).• Para interpretação das indicações, dispensa processos intermediários,agilizando a inspeção.

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• No caso de radiografia ou gamagrafia, existe a necessidade do processo derevelação do filme, que via de regra demanda tempo do informe de resultados.• Ao contrário dos ensaios por radiações penetrantes, o ensaio ultrassonico nãorequer planos especiais de segurança ou quaisquer acessórios para sua aplicação.• A localização, avaliação do tamanho e interpretação das descontinuidadesencontradas são fatores intrínsecos ao exame ultrassonico, enquanto queoutros exames não definem tais fatores. Por exemplo, um defeito mostradonum filme radiográfico define o tamanho mas não sua profundidade e emmuitos casos este é um fator importante para proceder um reparo.

2.5.5 Limitações em relação a outros ensaios.

• Requer grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor.• O registro permanente do ensaio não é facilmente obtido.• Faixas de espessuras muito finas, constituem uma dificuldade para aplicaçãodo método.• Requer o preparo da superfície para sua aplicação. Em alguns casos deinspeção de solda, existe a necessidade da remoção total do reforço da solda,que demanda tempo de fábrica.• É frequente a insegurança do inspetor quanto à identificação da indicaçãodetectada na tela do aparelho (ver exemplo adiante).

Fig.07 Indicação típica de ultrassom na tela doaparelho resultante da falta de penetração da

solda

Fonte: Andreucci 2014

2.6 Líquido Penetrante

2.6.1 Finalidade do Ensaio

O ensaio por líquidos penetrantes presta-se a detectar descontinuidadessuperficiais e que sejam abertas na superfície, tais como trincas, poros, dobras,etc..podendo ser aplicado em todos os materiais sólidos e que não sejam porososou com superfície muito grosseira.É muito usado em materiais não magnéticos como alumínio, magnésio, açosinoxidáveis austeníticos, ligas de titânio, e zircônio, além dos materiais magnéticos.É também aplicado em cerâmica vitrificada, vidro e plásticos.

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Este procedimento estabelece as condições necessárias para a execução do ensaio não destrutivo por meio de Líquido Penetrante para detecção de descontinuidades abertas à superfície, a ser utilizado no Sistema Nacional de Qualificação e Certificação de Pessoas em END - SNQC/END.

2.6.2. Normas de Referencia

ASME Seção V, edição 2004.

2.6.3 Materiais a serem ensaiados

2.6.3.1 Materiais: aço carbono, aço carbono baixa liga (até 6% de liga), aço inoxidável austenítico, aço inoxidávelferrítico, aço inoxidável martensítico, titânio, liga de níquel e alumínio.

2.6.3.2 Processo de Fabricação: laminados, juntas soldadas, fundidos e forjados.

2.6.3.3 Formas: superfícies planas, chapas planas, juntas de ângulo em T e tubos com juntas circunferenciais.

2.6.4 Vantagens e limitações do ensaio, em comparação com outros métodos.

2.6.4.1 Vantagens.

Poderíamos dizer que a principal vantagem do método é a sua simplicidade. É fácilde fazer de interpretar os resultados. O aprendizado é simples, requer poucotempo de treinamento do inspetor.

Como a indicação assemelha-se a uma fotografia do defeito, é muito fácil deavaliar os resultados. Em contrapartida o inspetor deve estar ciente dos cuidadosbásicos a serem tomados (limpeza, tempo de penetração, etc), pois a simplicidadepode se tornar uma faca de dois gumes.

Não há limitação para o tamanho e forma das peças a ensaiar, nem tipo dematerial; por outro lado, as peças devem ser susceptíveis à limpeza e suasuperfície não pode ser muito rugosa e nem porosa.

O método pode revelar descontinuidades (trincas) extremamente finas (da ordemde 0,001 mm de abertura ).

2.6.4.2 Limitações.

Só detecta descontinuidades abertas para a superfície, já que o penetrante temque entrar na descontinuidade para ser posteriormente revelado. Por esta razão, adescontinuidade não deve estar preenchida com material estranho.

A superfície do material não pode ser porosa ou absorvente já que não haveriapossibilidade de remover totalmente o excesso de penetrante, causandomascaramento de resultados.

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Fig.08 Preparação e limpeza inicial da superfície

Fonte: Andreucci 2014

Fig.09 Tempo de penetração do líquido na abertura

Fonte: Andreucci 2014

Fig.10 Tempo de penetração do líquido na abertura

Fonte: Andreucci 2014

 2.6.5 Revelador

O revelador é um produto que age como um “mata-borrão” utilizado para “absorver” o penetrante para fora da descontinuidade e evidenciar uma imperfeição na superfície em ensaio. O revelador é utilizado também para fornecer um fundo branco na superfície para contrastar com o penetrante que sai da descontinuidade, quando utilizamos a técnica colorida.

Existem quatro tipos de reveladores para serem utilizados no ensaio de líquido penetrante:

• Revelador seco;• Revelador úmido em suspensão aquosa;• Revelador úmido em solução aquosa e;• Revelador úmido não aquoso ou solúvel em solvente.

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Fig.11- Aplicação do revelador e observação da indicação

Fonte: Andreucci 2014

2.7 Descontinuidade

É uma interrupção da estrutura típica da solda, tal como um falta de homogeneidade nas suas características mecânicas, metalúrgicas ou físicas.Pode ser causada pela abertura de uma trinca ou pela presença de um segundo material: gás, inclusão de escória.

As descontinuidades podem ser classificadas quanto à origem e a forma. Com relação à origem, as descontinuidades podem estar relacionadas:

ao Projeto ao Processo a transformações Metalúrgicas

Com relação à forma, podem ser: Planas volumétricas

2.7.1 Principais descontinuidades

Porosidade Respingos Falta de fusão Falta de penetração Perfil de solda Irregular (Mordedura / Sobreposição Concavidade / Convexidade

excessivas) Trincas Inclusões de escória Distorções e/ou tensões residuais

3 METODOLOGIA

O material do aro da carregadeira 938H é de aço SAE - Society of Automotive Engineers- 1020, já o flange a ser fabricado, como mostra a figura 12, que irá substituir a área trincada é de aço SAE 1045.

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Fonte: Acervo do autor

A chapa de aço 1045 com as dimensões descritas na figura 12, foi submetida à usinagem para a preparação do bisel com 30°, conforme figura 13, em toda sua extremidade, tanto do lado superior quanto do inferior, logo em seguida o cubo de aço 1020, mas precisamente na área onde será realizada a substituição, também foi usinado seguindo o mesmo procedimento da chapa de aço 1045.

Logo a pós a usinagem foi realizado o ensaio não destrutivo por ultrassom, o procedimento de aplicação está descrito no item 2.5 da revisão bibliográfica deste artigo.

Ao término do ensaio as peças foram unidas formando um chanfro tipo X, conforme figura 13, em seguida deu-se início ao processo de soldagem. O processo de soldagem aplicado foi o MAG com um arame de diâmetro 1,6 mm2 , velocidade/comprimento do arame de adição ± 375 in/min, velocidade do gás Co2 ± 18,5 l/min. na posição 1G - posição plana.

Fig.13 Ângulo do chanfro e bisel

Fonte: Acervo do autor

A aplicação da soldagem iniciou-se com quatro pontos de solda bem distribuídos, com a mesma distância de um ponto para o outro, na parte superior do cubo (lado A) figura 14,em seguida a peça foi virada para a parte inferior do cubo (lado B) figura 14,onde foi aplicado o passe de raiz e novamente virou-se a peça para o lado A, onde também foi aplicado o passe de raiz e logo após foi aplicado o passe de acabamento.

Para finalizar, a peça foi virada para o lado B, onde foi aplicado o último passe o de acabamento, ao total foram aplicados quatro cordões de solda, dois no lado A e dois no lado B.

60°

30°

Fig.12 Espessura da chapa recomendada 23 mm e diâmetro de 340 + ou - 5 mm

Metal de Base

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Fig.14 Cubo face superior (lado A) á esquerda e face inferior (lado B) á direita

Fonte: Acervo do Autor

Ao mesmo tempo em que a soldagem era aplicada, foi realizado a medição da temperatura, para isso foi escolhido e identificado aleatoriamente quatro postos no lado A do cubo próximo a junta soldada, onde em média a cada um minuto a medição era colhida ponto a ponto, para a verificação da variação da temperatura, utilizando como ferramenta de medição a raio lazer o infra red com emissividade ε = 0,95, como mostra a figura 15 a seguir.

Fig.15 Medidor de temperatura Infra Red

Fonte: Acervo do Autor

Durante o resfriamento da peça, foi realizado o mesmo procedimento de medição de temperatura aplicado durante a soldagem, só nesse caso para verificar variação da temperatura de resfriamento.

Passado o tempo de resfriamento do cubo, foi realizado o acabamento superficial no lado A para a remoção do ângulo de molhamento, utilizando uma esmerilhadeira manual, da mesma forma foi aplicado no lado B, feito esse procedimento o cubo no seu lado A passou pelo ensaio de líquido penetrante o procedimento de aplicação está descrito no item 2.6 da revisão bibliográfica deste artigo. Em seguida a peça foi usinada novamente, mas agora para a abertura dos 16 furos para instalação dos parafusos, finalizada a operação de usinagem o cubo passou novamente pelo ensaio de ultrassom para a verificação da sanidade da junta soldada. A figura a seguir mostra a usinagem dos 16 furos e ao seu lado direito a imagem do cubo finalizado.

A peça foi entregue ao cliente e a máquina já está operando até o presente momento sem nenhuma alteração no local recuperado.

Fig.16 - Abertura dos 16 furos dos parafusos de fixação

Fonte: Acervo do autor.

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4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

O ensaio não destrutivo por ultrassom realizado antes da soldagem acusou um ponto de concentração de tensão, como mostra o aparelho ultrassônico na figura 16, mas não foi possível detectar o nível de tensão e de que tipo se tratava, se surgiu no momento da fundição ou até mesmo devido a operação da máquina, pois para resultados mais precisos seria necessário o ensaio não destrutivo por birrefringência acústica. Mas se futuramente a peça vier a demonstrar alguma descontinuidade na área onde foi detectada a tensão residual, poderá ser considerado como hipótese a causa raiz essa tensão.

Após a soldagem o ensaio de ultrassom não detectou nenhuma descontinuidade a não ser a que já existia antes no primeiro ensaio.

Fig.16 - Aparelho de ensaio ultrassom

Fonte: Acervo do autor.

O ensaio de líquido penetrante não revelou nenhuma descontinuidade grave que pudesse comprometer a estrutura da peça.

Temos a seguir o gráfico 01 que diz respeito ao monitoramento da temperatura da peça soldada durante a soldagem, onde é percebida a variação da temperatura, onde só será possível analisar se a peça sofreu alguma mudança na sua estrutura com um ensaio destrutivo que ficará para um estudo posterior ao término deste artigo.

O gráfico 02, expressa o monitoramento de resfriamento da peça ao longo do tempo, que demonstra uma pequena variação da temperatura logo no inicio do resfriamento e após a variação o resfriamento ocorreu de forma uniforme sem grandes variações.

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5 REFERÊNCIAS

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CALLISTER, William. D. Jr. Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução, 7 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos, 7. ed. ampl e ver. São Paulo: ABM, 2008, p. 599.

MARQUES, Paulo Villani et all. Soldagem Fundamentos e tecnologia.3.ed.Belo Horizonte: editora UFMG, 2011.

EUTECTIC; do Brasil LTDA. Manual de Aplicações em Soldagem: 2ª Edição, Editora PPPV Design/Ibraphel, São Paulo - 2009

AWS, Welding Handbook, Materials and Applications – Part 2, American Welding Society, 8a Edição, Vol. 4, 1998.

MODENESI, Paulo J. Soldabilidade de algumas ligas metálicas, Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais.Universidade Federal de Minas Gerais Jan. 2011.

COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns, 3ª Edição, Editora Edgarg Blücher Ltda, São Paulo – 1974.

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BARRA, Sergio R. Site da soldagem.Disponível em: <http://www.sitedasoldagem.com.br/conceito%20basico/>. Acesso em: 23 Mai. 2015.

ROSENDO, Tonilson. Apostila Disponível em: <http://www.urisan.tche.br/~tonilson/Ciencia%20dos%20Materiais/Ciencia-7.pdf> . Acesso em: 02 jun. 2014.

JBS. Líquido penetrante.Disponível em: < http://www.jbsensaios.com.br/liquido.php >. Acesso em: 06 Jun. 2015.

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iEmail: Mariellemd@gmail.com; Josifran34araujo@gmail.com